星載邁克爾遜干涉儀掃描角鏡裝調(diào)工藝研究

李 松 江希龍 張 迪 李 星 趙 亨

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

0 引言

隨著全球氣候形勢日益嚴(yán)峻，當(dāng)下各國對碳中和的呼聲越來越高［1-2］。大氣中CO2，CH4和N2O 等溫室氣體的增加是全球變暖和氣候變化的主要原因［3］，溫室氣體監(jiān)測是調(diào)控溫室氣體排放的重要手段，溫室氣體在軌遙感探測因具有覆蓋面積大、連續(xù)快速、相對成本較低等優(yōu)勢［4］，正在成為當(dāng)前大氣遙感中的一個(gè)重要領(lǐng)域和發(fā)展方向。

“風(fēng)云三號(hào)”D 衛(wèi)星針對溫室氣體探測布局了近紅外高光譜溫室氣體監(jiān)測儀，通過獲取對流層底CO2和CH4濃度的分布信息，監(jiān)測全球CO2和CH4的季節(jié)變化和長期趨勢［5-6］。該氣體監(jiān)測儀光學(xué)系統(tǒng)采用雙擺臂邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其核心部件采用“V”形擺臂式雙角鏡懸臂結(jié)構(gòu)，由“V”形擺臂加兩組角鏡組件構(gòu)成，見圖1。兩組角鏡對稱安裝在“V”形擺臂的兩側(cè)，要求兩組角鏡頂點(diǎn)的空間位置相對擺臂中心面的對稱度優(yōu)于10 μm。目前，國內(nèi)外類似結(jié)構(gòu)的裝調(diào)工藝研究參考文獻(xiàn)較少，給空間懸臂式邁克爾遜干涉儀角鏡裝調(diào)帶來諸多不便［7-8］。本文主要針對角鏡組件的裝調(diào)難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)控制措施，解決空間多自由度角鏡組件裝調(diào)難題。

圖1 角鏡組件安裝模型Fig.1 Installation model of angle mirror assembly

1 干涉儀角鏡組件工作原理

兩組角鏡對稱安裝在“V”形擺臂上，工作時(shí)，入射光束經(jīng)分束器分為兩路，兩路光束分別經(jīng)角鏡反射，角鏡組件在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下繞撓性轉(zhuǎn)軸往復(fù)掃描，使兩路光束形成隨時(shí)間變化的光程差，在干涉儀輸出端形成相應(yīng)干涉場，角鏡組件工作示意圖如圖2所示。

圖2 角鏡組件工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of corner mirror assembly

通過對干涉圖數(shù)據(jù)進(jìn)行逆FFT 變換，就能得到干涉儀所觀測物體的光譜信息，兩路光束干涉得到的雙邊干涉圖如圖3 所示。干涉圖直接決定光譜圖的品質(zhì)，干涉圖與兩路光束光程差的速度直接相關(guān)，光程差速度是角鏡頂點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸中心距離R的函數(shù)［9］，由此角鏡組件裝調(diào)的對稱度對監(jiān)測儀性能有直接的影響。結(jié)合監(jiān)測儀口徑，響應(yīng)波長等系統(tǒng)參數(shù)，2 組角鏡頂點(diǎn)的對稱度需保證在10 μm 以內(nèi)。角鏡組件的裝調(diào)是干涉儀的核心工藝，需要識(shí)別工藝難點(diǎn)，梳理工藝流程，制定解決措施。

圖3 雙邊干涉圖Fig.3 Bilateral interferogram

2 干涉儀角鏡組件裝調(diào)原理及工藝流程

角鏡組件對稱安裝在擺臂上，角鏡頂點(diǎn)位置對稱度要求≤10 μm，安裝位置如圖1 所示。裝配前已完成擺臂組合加工、精研擺臂各安裝面，保證零件形位精度滿足要求。裝調(diào)時(shí)，先將兩側(cè)角鏡組件預(yù)安裝至擺臂上，三坐標(biāo)測量儀分別檢測角鏡頂點(diǎn)的位置P1、P2，每組角鏡由3片相互垂直的平面鏡組成，角鏡頂點(diǎn)的位置通過檢測平面鏡平面來確定，以其中一側(cè)的角鏡頂點(diǎn)P1為基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)關(guān)于過樞軸中心線的對稱中心面鏡像至另一側(cè)，得到另一側(cè)的理論安裝點(diǎn)P′1，通過分析理論安裝點(diǎn)與實(shí)際安裝點(diǎn)P2的位置，然后將實(shí)際安裝點(diǎn)調(diào)整至理論點(diǎn)。由于角鏡組件安裝面限制了其中一個(gè)裝調(diào)維度，所以角鏡頂點(diǎn)的空間位置調(diào)整分解為在擺臂安裝面內(nèi)二維平移調(diào)整和安裝面法向調(diào)整。

通過對零件結(jié)構(gòu)和裝配技術(shù)要求進(jìn)行分析，結(jié)合三維模型進(jìn)行試裝配，對裝配流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用先預(yù)裝調(diào)再精調(diào)的工序，在預(yù)裝調(diào)及精調(diào)后均安排三坐標(biāo)進(jìn)行檢測，為后續(xù)調(diào)整提供依據(jù)，調(diào)整完成后通過配制銷釘進(jìn)行限位。制定的裝配流程見圖4。

圖4 角鏡組件裝配流程圖Fig.4 Flow chart of corner mirror assembly

3 干涉儀角鏡組件裝調(diào)技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1 裝調(diào)技術(shù)難點(diǎn)

干涉儀角鏡組件的裝調(diào)主要有以下難點(diǎn)：

（1）角鏡組件安裝到擺臂后，為空間懸臂結(jié)構(gòu)，角鏡組件安裝位置無法直接測量，需要建立適當(dāng)?shù)臋z測基準(zhǔn)；

（2）為保證角鏡頂點(diǎn)的空間位置，調(diào)整維度多，調(diào)整量無法確定，需建立簡化模型確定調(diào)整維度及調(diào)整量；

（3）確定了調(diào)整維度及調(diào)整量后，還需要設(shè)計(jì)合理的調(diào)整順序，否則將導(dǎo)致角鏡組件反復(fù)拆卸，影響裝調(diào)效率及精度；

（4）角鏡頂點(diǎn)位置對稱度要求高，調(diào)整精度高，需借助專用的微位移調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整。

3.2 解決措施

3.2.1 建立裝調(diào)及檢測基準(zhǔn)

基準(zhǔn)的建立，不僅影響裝調(diào)及檢測是否方便，而且影響最終裝調(diào)精度。為減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來誤差，以擺臂基準(zhǔn)A 作為裝調(diào)及檢測的基準(zhǔn)面。兩組角鏡繞樞軸擺掃，因此以樞軸安裝孔軸線建立角鏡安裝基準(zhǔn)軸線OO1，以過軸線OO1且垂直于基準(zhǔn)A 的面建立角鏡的對稱中心面，基準(zhǔn)建立半剖示意圖見圖5。

圖5 基準(zhǔn)建立半剖示意圖Fig.5 Half section diagram of datum establishment

3.2.2 簡化模型，計(jì)算調(diào)整量

通過對結(jié)構(gòu)形式和裝調(diào)要點(diǎn)進(jìn)行分析，角鏡組件可以簡化為角鏡的頂點(diǎn)P1、P2，兩個(gè)頂點(diǎn)的空間位置調(diào)整可分解為在擺臂安裝面內(nèi)二維平移調(diào)整和安裝面法向調(diào)整。構(gòu)建的簡化模型及三維坐標(biāo)系如圖6裝位置；P1′為右側(cè)角鏡的理論正確安裝位置，P1′和P1關(guān)于擺臂的對稱中心面鏡像對稱。以過樞軸安裝孔的軸線建立z軸；過點(diǎn)P1、P1′并垂直樞軸安裝孔軸線建立xOy坐標(biāo)平面；樞軸安裝孔軸線與xOy坐標(biāo)平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O；以擺臂對稱中心面和xOy坐標(biāo)平面的交線（過原點(diǎn)O）為y軸；在xOy坐標(biāo)平面內(nèi)，過P1、P1′點(diǎn)作與y軸成45°的直線，直線的交點(diǎn)為O′，角鏡的理論安裝位置用“O′P1”、“O′P1′”表示。

圖6 角鏡位置簡化示意圖Fig.6 Simplified schematic diagram of angle mirror position

已知其中一個(gè)空間點(diǎn)P1（x1，y1，z1）及對稱面：Ax+By+Cz+D=0(A2+B2+C2≠0)，可以求 得關(guān)于平面的對稱點(diǎn)，在圖6 所示坐標(biāo)系中，對稱面方程為x=0，計(jì)算得出P′1坐標(biāo)為：

由于O′P1與Y軸夾角45°，從而O′P1所在的垂直于坐標(biāo)平面xOy的法向量為（1，1，0），從而該面方程為x+y-x1-y1=0，由此得到 O′坐標(biāo)（0，x1+y1，0）。同理所在的垂直于坐標(biāo)平面xOy的法向量為（1，-1，0），從而該面方程為x-y+x1+y1=0。

右側(cè)角鏡實(shí)際安裝點(diǎn)P2與理論安裝點(diǎn)P′1的空間位置關(guān)系見圖7：P2′為P2在理論安裝面內(nèi)的投影點(diǎn)（垂足），為在直線上的投影點(diǎn)（垂足）；ΔH為垂直于角鏡安裝面的調(diào)整量；ΔL為角鏡在角鏡安裝面內(nèi)沿軸線的調(diào)整量；ΔZ為角鏡在角鏡安裝面內(nèi)垂直軸線的調(diào)整量。

圖7 右側(cè)角鏡理論點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)P2的空間位置關(guān)系Fig.7 Spatial position relationship between theoretical point and actual point P2 of the right angle mirror

三坐標(biāo)檢測得到角鏡頂點(diǎn)位置P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）；由垂足公式，計(jì)算得坐標(biāo)為：

由此，計(jì)算得到調(diào)整量ΔH、ΔL、ΔZ如下：

3.2.3 裝調(diào)順序設(shè)計(jì)

角鏡組件的裝調(diào)順序直接影響裝調(diào)效率及裝調(diào)精度。角鏡組件位置共有3個(gè)調(diào)整量ΔZ、ΔH、ΔL，共有6 種調(diào)整順序：ΔZ→ΔH→ΔL、ΔZ→ΔL→ΔH、ΔH→ΔZ→ΔL、ΔH→ΔL→ΔZ、ΔL→ΔZ→ΔH、ΔL→ΔH→ΔZ。按調(diào)整量的矢量特點(diǎn)，調(diào)整順序可分為兩類：安裝面內(nèi)的二位調(diào)整和安裝面的法向調(diào)整，其中調(diào)整量ΔZ、ΔL在安裝面內(nèi)，調(diào)整量ΔH在安裝面法向。

由于角鏡組件的實(shí)際安裝面與理論安裝面存在偏差。如果先進(jìn)行安裝面內(nèi)調(diào)整后進(jìn)行法向調(diào)整，實(shí)際安裝面與理論安裝面的偏差會(huì)引起實(shí)際調(diào)整量與理論調(diào)整量偏差，而且后進(jìn)行法向調(diào)整時(shí)需要將角鏡組件與安裝面分離，導(dǎo)致安裝面內(nèi)的位置還需重新調(diào)整，影響裝調(diào)效率及裝調(diào)精度。最終確定的角鏡組件調(diào)整順序?yàn)椤跋确ㄏ蚝笃矫妗保害→ΔZ→ΔL或ΔH→ΔL→ΔZ。

進(jìn)行安裝面法向調(diào)整時(shí)，通過在安裝面間放置適當(dāng)厚度墊片實(shí)現(xiàn)；根據(jù)計(jì)算的ΔH值對角鏡各安裝點(diǎn)處的調(diào)整墊片進(jìn)行加工及精密修研，其等高偏差優(yōu)于3 μm。

3.2.4 精密微動(dòng)調(diào)整工裝設(shè)計(jì)

在安裝面內(nèi)進(jìn)行二維平移調(diào)整時(shí)，角鏡四周沒有限位面，為多自由度狀態(tài)，調(diào)整一個(gè)方向時(shí)，另一個(gè)方向會(huì)產(chǎn)生平移或繞安裝面法向旋轉(zhuǎn)，見圖8（a）。因此，需要在兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行約束調(diào)整，根據(jù)角鏡支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在側(cè)面輔助6個(gè)約束點(diǎn)，見圖8（b）。

圖8 角鏡位置調(diào)整狀態(tài)示意圖Fig.8 Schematic diagram of angle mirror position adjustment state

由于角鏡組件安裝的對稱度要求≤10 μm，調(diào)整步幅精度需控制在1 μm。因此，選用了千分微動(dòng)頭進(jìn)行微動(dòng)調(diào)整，根據(jù)擺臂和測微頭結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了專用夾持裝置，調(diào)整裝置示意圖如圖9。

圖9 角鏡位置調(diào)整裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of angle mirror position adjustment device

按照計(jì)算的調(diào)整量進(jìn)行調(diào)整后，三坐標(biāo)復(fù)測角鏡頂點(diǎn)位置，根據(jù)檢測的結(jié)果再進(jìn)行迭代調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了角鏡組件在安裝面內(nèi)的精密二維調(diào)整。

調(diào)整前后角鏡頂點(diǎn)坐標(biāo)及偏差如表1所示，三坐標(biāo)測量角鏡頂點(diǎn)位置對稱度（一致性要求）實(shí)測值8 μm，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

表1 調(diào)整前后角鏡頂點(diǎn)坐標(biāo)及偏差Tab.1 Adjust the vertex coordinates and deviation of front and rear corner mirrors

三坐標(biāo)檢測角鏡頂點(diǎn)對稱度T與坐標(biāo)偏差值Δ關(guān)系：

分析通過角鏡組件裝調(diào)的難點(diǎn)，制定了相應(yīng)控制措施：（1）建立了裝調(diào)和檢測的統(tǒng)一基準(zhǔn)，避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換引起誤差，便于測量；（2）將角鏡組件空間位置調(diào)整簡化為空間向量模型，根據(jù)裝調(diào)約束條件將空間點(diǎn)的調(diào)整轉(zhuǎn)化為安裝面內(nèi)調(diào)整和安裝面法向調(diào)整，簡化了調(diào)整維度，給出了空間調(diào)整量計(jì)算方法；（3）確定了“先法向后平面”的調(diào)整順序，提高了裝調(diào)效率及精度；（4）設(shè)計(jì)專用精密微動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了角鏡組件安裝面內(nèi)的精密微量調(diào)整。

通過以上措施，角鏡頂點(diǎn)位置對稱度裝調(diào)后達(dá)到8 μm，優(yōu)于10 μm的設(shè)計(jì)指標(biāo)，驗(yàn)證了“向量解析+精密微動(dòng)調(diào)整”方法的可行性。

4 結(jié)論

懸臂式多自由度角鏡組件裝調(diào)工藝研究是通過對風(fēng)云氣象衛(wèi)星干涉儀系統(tǒng)的角鏡組件裝調(diào)為研究載體，通過對角鏡組件的裝調(diào)難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了一種“向量解析+精密微動(dòng)調(diào)整”方法。實(shí)踐證明，該方法解決了懸臂式多自由度角鏡組件裝調(diào)的技術(shù)難題，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，有效提高了裝調(diào)效率及裝調(diào)精度，已成功運(yùn)用于風(fēng)云氣象衛(wèi)星，為星載擺臂式時(shí)間調(diào)制型邁克爾遜干涉儀的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)技術(shù)積累對于空間多自由度光學(xué)元件及光機(jī)結(jié)構(gòu)組件的高精度裝調(diào)具有參考意義。